一种基于电机转向可控的洗衣机用循环排水一体泵

摘要：针对现有市场上洗衣机排水循环系统存在的一些问题，介绍了一种转向可控的单相交流永磁同步电机控制方法，以及一种新设计的一体化泵腔结构，从而提供了一种双出水管道互不干扰的洗衣机用循环排水一体泵。

关键词：转向可控;单相交流永磁同步电机;一体化泵腔结构

引言

随着人民生活水平的不断提高，洗衣机已经成为人们生活中不可或缺的家用电器，人们在享受洗衣机带来的解放双手便利的同时，也对洗衣机的性能提出了更多的要求，而滚筒洗衣机以其低磨损和智能化的高端形象，受到广大消费者的青睐[1]。本文首先针对现有的滚筒洗衣机排水循环系统存在的一些问题作出一些阐述，然后提出了一个系统性的优化方案，即通过采用一种转向可控的单相永磁同步电机[2]以及一种新设计的一体化泵腔结构[3]，从而实现了双出水管道互不干扰的滚筒洗衣机用循环排水一体泵，有效地解决了现有滚筒洗衣机排水循环系统存在的一些问题。

1 现有问题

现有的滚筒洗衣机循环排水系统通常采用排水泵和循环泵分别单独设置的方法，排水泵主要用于将洗涤后的污水排出到洗衣机外部的下水管道内，而循环泵主要用于将滚筒内的洗涤水通过循环泵产生一个“加压”的作用，从而使洗涤水在洗涤过程中较为均匀地喷淋在衣物上，达到提高洗净率和洗净均匀度的目的，有文献表明[4]，有循环喷淋的洗净率比无循环喷淋的洗净率提升8.6%，洗净均匀度提升3%。

虽然上述方案起到了提高洗净率和洗净均匀度的有益效果，但也存在如下问题：

1）、排水泵和循环泵通常使用同一个水泵壳，如图1所示，这种构造导致了水泵壳整体结构较大，增加了制作成本，与此同时，这种构造对滚筒洗衣机内部安装空间要求较大，无形中增加了滚筒内部管路铺设的复杂程度;

2）、此外，分别采用排水泵和循环泵的设置方法，也增加了材料成本的投入，以及滚筒洗衣机的电能损耗，不符合国家对于家用电器低碳环保以及可持续发展的要求。

基于上述问题，需要行业技术人员开发出一款全新的滚筒洗衣机循环排水系统。

2 一种全新的循环排水一体泵方案

通过多年的技术开发努力，本文作者及所在公司的研发团队成功开发出一款基于电机转向可控的洗衣机用循环排水一体泵，即通过采用一种转向可控的单相永磁同步电机以及一种新设计的一体化泵腔结构，从而实现了双出水管道互不干扰的滚筒洗衣机用循环排水一体泵，如图2所示。下面将对一种转向可控的单相永磁同步电机和一种新设计的一体化泵腔结构分别进行详细介绍。

2.1 一种转向可控的单相永磁同步电机

一直以来，滚筒洗衣机用的排水泵和循环泵通常采用单相永磁同步电机作为驱动电机，如文献所述[5]，电机部分包括定子和转子两部分（如图3所示），其中定子铁芯为U型铁芯，U型铁芯开口的一端用来将两组串联且绕线方向相反的集中绕组分别安装在U型铁芯的左、右两个铁芯轭部上，转子为一对极铁氧体，该电机结构通过将铁芯每极极弧设置为两段不同半径的同心圆弧连接而成，从而在气隙磁场形成一个阶梯形式的气隙磁场，解决了单相永磁同步电机通电后无法自启动的问题，具有结构简单，操作方便，使用寿命长等优点，但是该电机结构也具有一个显著的缺陷，就是电机转向不可控，无法满足循环排水一体泵对于电机转向可控的需求，为了解决这个问题，本文按照电机转速是否可以调速进行区分，采用两种控制策略来解决电机转向不可控的问题。

2.1.1 H桥式单绕组控制策略

如图4所示，H桥式单绕组控制方案主要由电源模块、单片机、H桥驱动模块、开关霍尔等4部分组成，此外，电机绕组由两组串联且绕线方向相反的集中绕組组成为单绕组结构，可以提高绕组利用率。

首先，电源模块将外部输入的交流电压（一般就是市电电压）通过全桥整流及滤波电容电路转换为高压直流电压，这一转换很重要，通过交流—直流的电压转换，为后续通过PWM调整直流电压的占空比，从而实现电机调速建立了物理基础。其次，开关霍尔信号用来检测转子的磁极信号，一般可以设定为当检测到磁极为N极时，开关霍尔信号输出高电平，当检测到磁极为S极时，开关霍尔信号输出低电平。单片机通过开关霍尔信号反馈回来的电平信号，经过逻辑运算后控制高压直流电压在H桥驱动模块中4个MOS管的导通顺序，从而实现电机按照特定的转向进行旋转，典型的工作方式为：当外部开关信号为导通时，此时需要电机按照顺时针旋转，在电机的一个换相周期内，当开关霍尔信号检测到磁极信号为N极时，输出高电平至单片机，单片机通过逻辑运算后在电机的前半个换相周期内，控制H桥驱动电路中的Q1、Q4两个MOS管导通，另外两个Q2、Q3 MOS管闭合，在电机的后半个换相周期内，控制H桥驱动电路中的Q2、Q3两个MOS管导通，另外两个Q1、Q4 MOS管闭合，高压直流电压按照上述的导通顺序，输入到单绕组线圈内，从而推动转子按照顺时针的方向旋转。上述的工作方式只是其中一个工作状态，具体的电机转向控制逻辑如表1：

按照表1的电机转向控制逻辑，可以控制电机按照特定的转向进行运行，此外，通过调整PWM信号占空比来调整加到电机绕组上的直流电压大小，可以实现电机转速的调整，为后续根据不同的需求来调整循环排水一体泵的流量和扬程特性打下基础，目前转速范围一般设置为2000-4000r/min。

2.1.2 交流矢量定向单绕组控制策略

如图5所示，交流矢量定向单绕组控制方案主要由低压供电模块、单片机、双向可控硅驱动、线性霍尔、同步信号检测等5部分组成，此外，电机绕组由两组串联且绕线方向相反的集中绕组组成为单绕组结构。

首先，由一组串联的降压电阻组成的低压直流供电模块，将外部输入的交流电压（一般就是市电电压）转换为低压直流电压，用于给单片机和线性霍尔供电，而低压直流电压值的大小取决于单片机和线性霍尔工作时所需的供电电压，以本方案所用的线性霍尔为例，采用的是霍尼韦尔的SS39ET，其工作时供电电压范围为2.7—6.5Vdc，典型的供电电压值为5Vdc，所以理论上低压直流供电模块的输出电压值需设计为5Vdc，但是考虑到电机本身的低压特性需求以及元器件本身内阻所引起的压降，实际工作时的输出电压值会低于5Vdc，这一点在设计时需充分考虑，避免直流供电电压过低，导致线性霍尔的灵敏度过低，电机无法正常启动。其次，线性霍尔通过霍尔输出信号电压值与本身偏置电压值进行比较，从而判断磁极位置，具体判断逻辑如表2：

而同步信号检测模块用于检测交流电压的极性，当同步信号和霍尔信号的状态能一一对应时，单片机输出高电平的开关信号以控制双向可控硅导通，则交流电压的正半波或负半波输入到电机的单绕组线圈内，从而推动转子按照顺时针或者逆时针方向进行旋转，否则单片机输出低电平的开关信号以控制双向可控硅截止。具体的电机转向控制逻辑如表3：

按照表3的电机转向控制逻辑，可以控制电机按照特定的转向进行运行，但是由于电机的输入电压仍为交流电压，电机本身无法实现调速，而是与输入的交流电压频率相关，例如：输入的市电电压频率是50Hz，转子磁极极对数是1对极，按照同步电机转速计算公式：n=60*f/p（f：电压频率，p：转子极对数），则电机转速为3000 r/min。

上述两种控制方案成功地解决了单相永磁同步电机转向不可控的问题，为结合一种新设计的一体化泵腔结构，从而实现了双出水管道互不干扰的滚筒洗衣机用循环排水一体泵创造了条件。

2.2 一种新设计的一体化泵腔结构

现有的洗衣机循环排水系统虽然通常采用一个水泵壳，但是排水泵和循环泵分别设置在相对独立的工作泵腔，如图1所示，结构较为复杂，制造成本高。新设计的方案仍采用一个水泵壳，但是将排水泵和循环泵的工作泵腔集成为一个工作泵腔，如图6所示。首先，一体化泵腔结构在其外部设置有两路平行的分别用于排水和循环的管路，两路管路平行设计很关键，有利于避免排水管路和循环管路分别工作时对另一管路的干扰。其次，一体化泵腔结构的内部采用蜗壳设计，一般将流量较大的排水管路与蜗壳渐开线放大的方向进行耦合，而蜗壳采用8点均分法来进行设计，具体公式如下：

其中D8为蜗壳上每个起始点到蜗壳中心的距离，Q为排水管路典型工作点的流量（m3/s），H为排水管路典型工作点的扬程（m），R为基圆半径（即第一个起始点至蜗壳中心的半径），K3为水流速度系数，a值为一体化泵腔深度。通过上述公式可以较为准确地计算出不同流量和扬程需求下的一体化泵腔结构。此外，在蜗壳内介于排水管路与出水管路之间设置有弧形挡块，弧形挡块的圆心与蜗壳中心为同一点，通过调整弧形挡块与叶轮配合的间隙量（一般间隙量控制在叶轮半径的1%-2%之间），可以从根本上保证排水管路或循环管路分别工作时，对另一管路不造成影响。典型的工作方式为：通过采用如前述2.1.1或2.1.2的电机转向控制方法，当电机沿顺时针旋转时，带动叶轮将蜗壳内的水由排水管路排到洗衣机外部的下水管路中，当电机沿逆时针旋转时，带动叶轮将蜗壳内的水由循环管路“加压”至洗衣机内部，此外，按照上述工作方式工作时，不处于工作的管路均可保证在一定的扬程下不会发生“泄露”，具体的设计指标如表4：

从表格中的设计指标来看，完全可以满足洗衣机对于循环排水系统的要求，从而实现了双出水管道互不干扰的滚筒洗衣机用循环排水一体泵。

3 结语

本文首先对于现有的滚筒洗衣机循环排水系统存在的一些问题进行阐述，然后分别介绍了单相永磁同步电机转向可控的两种控制方案，以及一种新设计的一体化泵腔结构，从而实现了双出水管道互不干扰的滚筒洗衣机用循环排水一体泵。

参考文献

[1]龚熙战，辛建泉，李秀龙，等.滚筒洗衣机环保节能洗涤技术的应用[J].2013年中国清洁器具技术论坛论文集——整机技术：56-59.

[2]王明仁，刘猛，王胜，等.无刷电机的基于转子位置检测的启动方法[P].中国.发明专利.201510537071.X.2015.8.27

[3]卢鹏程，王胜，朱中存，等.泵以及具有所述泵的排水循环系统和家用电器[P].中国.发明.201710022751.7.2017.1.12

[4]林一斌，陈英，楼武雷，等.滚筒洗衣机高洗净性能的开发[J].家电科技，2018，09（013）：46-51.

[5]付敏，于长胜，白宏哲，等.阶梯氣隙结构对U型单相永磁电机自起动性能的影响[J].电机与控制学报，2010，06（14）：39-44.

作者简介：王 胜，男，1982年生，研究生，电机设计开发工程师，专注于家用电器交流同步电机、无刷电机的研究与应用。